本論文提出可應用於「模糊控制」課程的實驗教學軟體，以天車控制為例。一套完整的天車系統及其模糊控制器的硬體實驗設備動輒超過數萬元，因此在實驗課中可能的多位學生共用一套系統設備，學習效果有限。所以本論文利用C++撰寫程式開發3D天車模擬器及其模糊控制器的教學軟體，每位學生都可以在電腦上進行模糊控制器的設計與歸屬函數及則庫的調整，學生可以立即得到實驗的結果。本論文利用OGRE(Object-Oriented Graphics Rendering Engine)的圖像引擎，以3D的顯示環境直接看到天車的運動過程。讓使用者可以更直觀地進行參數的修正，並省去花費較多的金錢與時間建構實體。

This thesis develops a teaching software for the Fuzzy Controller of the overhead crane. Actually, a practical overhead crane system and its fuzzy controller might cost lots money. Therefore, in the experiment class, many students share a overhead crane system leading to less efficiency of learning. Thus, we use C++ language to develop the 3-Dimension overhead crane teaching software with Fuzzy Controller. Every student can learn fuzzy control by adjust the parameters of membership functions and rule base in this software. In this way, students can get the experimental results immediately from the PC. This thesis uses the OGRE (Object-Oriented Graphics Rendering Engine) rendering engine to develop the 3D overhead crane simulator. The user can directly adjust parameters to design the Fuzzy Controller. It can save the cost and time to build a real overhead crane system.

中 文 摘 要 I
英 文 摘 要 II
目 錄 III
圖 目 錄 V
表 目 錄 VIII

第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻探討 2
1.3 論文架構 3
第二章 天車模擬器架構 4
2.1 軟體主架構 4
2.2 軟體實際架構 6
2.3 天車軟體架構與參數設定 9
第三章 模糊控制器的設計 15
3.1 天車的特性 15
3.2 簡易模糊控制器設計 17
3.3 多重模糊控制器設計 21
第四章 實驗結果與討論 30
4.1 實驗一：短距離位移實驗 30
4.2 實驗二：長距離位移實驗 35
4.3 實驗三：鋼索變動長度 40
4.4 實驗四：負載變動重量 44
4.5 實驗五：負載變動形狀 47
第五章 結論 52
附 錄 55

圖 目 錄
圖1.1 天車公式示意圖 2
圖2.1 模擬器系統概要圖 4
圖2.2 軟體流程圖 7
圖2.3 FrameListener關係圖 8
圖2.4 天車模擬器全貌 9
圖2.5 Y軸機構 10
圖2.6 X軸機構與滑軌 11
圖2.7 Hinge示意圖 11
圖2.8 Slider示意圖 12
圖2.9 負載 12
圖2.10 BallAndSocket示意圖 13
圖2.11 天車系統全貌 14
圖3.1 3D天車示意圖 16
圖3.2 天車系統方向示意圖 17
圖3.3 差值與角度示意圖 18
圖3.4 距離差值的歸屬函數 19
圖3.5 角度位置的歸屬函數 19
圖3.6 輸出速度的歸屬函數 20
圖3.7 距離差值與速度的示意圖 22
圖3.8 角度與角速度的示意圖 22
圖3.9 速度的歸屬函數 23
圖3.10 模糊距離的歸屬函數 24
圖3.11 距離與速度的規則示意圖 24
圖3.12 角速度的歸屬函數 25
圖3.13 模糊角度的歸屬函數 26
圖3.14 角度與角速度的規則示意圖 26
圖3.15 模糊距離的歸屬函數 27
圖3.16 模糊角度的歸屬函數 28
圖3.17 輸出速度的歸屬函數 28
圖4.1 實驗一：手動控制X軸位置與角度圖 31
圖4.2 實驗一：手動控制Y軸位置與角度圖 31
圖4.3 實驗一：簡易模糊控制X軸位置與角度圖 32
圖4.4 實驗一：簡易模糊控制Y軸位置與角度圖 33
圖4.5 實驗一：多重模糊控制X軸位置與角度圖 33
圖4.6 實驗一：多重模糊控制Y軸位置與角度圖 34
圖4.7 實驗二：手動控制X軸位置與角度圖 36
圖4.8 實驗二：手動控制Y軸位置與角度圖 36
圖4.9 實驗二：簡單模糊控制器X軸位置與角度圖 37
圖4.10 實驗二：簡單模糊控制器X軸位置與角度圖 37
圖4.11 實驗二：多重模糊控制器X軸位置與角度圖 38
圖4.12 實驗二：多重模糊控制器Y軸位置與角度圖 39
圖4.13 實驗三：簡單模糊控制器X軸位置與角度圖 41
圖4.14 實驗三：簡單模糊控制器Y軸位置與角度圖 42
圖4.15 實驗三：多重模糊控制器X軸位置與角度圖 42
圖4.16 實驗三：多重模糊控制器Y軸位置與角度圖 43
圖4.17 實驗四：簡易模糊控制器X軸位置與角度圖 45
圖4.18 實驗四：簡易模糊控制器Y軸位置與角度圖 45
圖4.19 實驗四：多重模糊控制器X軸位置與角度圖 46
圖4.20 實驗四：多重模糊控制器Y軸位置與角度圖 46
圖4.21 實驗五使用橫向長柱形負載 48
圖4.22 實驗五：簡易模糊控制器X軸位置與角度圖 49
圖4.23 實驗五：簡易模糊控制器Y軸位置與角度圖 49
圖4.24 實驗五：多重模糊控制器X軸位置與角度圖 50

表 目 錄
表3.1 簡易模糊控制器規則庫 21
表3.2 距離與速度的規則庫 25
表3.3 角度與角速度的規則庫 27
表3.4 模糊距離與模糊角度的規則庫 29
表4.1 實驗一結果比較表 35
表4.2 實驗二結果比較表 40
表4.3 實驗三結果比較表 44
表4.4 實驗四結果比較表 47
表4.5 實驗五結果比較表 51

[1] Zhengyan Zhang, Dingfang Chen, Min Feng, ” Dynamics Model and Dynamic Simulation of Overhead Crane Load Swing Systems Based on the ADAMS”, 9th International Conference on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design, Dec, 2008, pp 484 - 487.
[2] G. E. Moore, “Cramming More Components Onto Intergrated Circuits”, Electronics, Volume 38, Number8, April 19, 1965.
[3] J. Craighead, R. Murphy, J. Burke, and B. Goldiez, ”A Survey of Commercial & Open Source Unmaned Vehicle Simulators”, 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2007, pp 852-857.
[4] A. N. Cadavid and D. G. Ibarra, “Using Game Engines in Ray Tracing Physics”, 2010 IEEE Latin-American Conference on Communications (LATINCOM), Sept, 2010, pp 1-5.
[5] http://www.tiobe.com/index.php/content/paperinfo/tpci/index.html, June 21, 2011.
[6] http://www.ogre3d.org/docs/manual/manual_2.html#SEC2, June 10, 2011
[7] http://newtondynamics.com/forum/downloads.php, February 15, 2011.
[8] http://www.fuzzytech.com/binaries/ieccd1.pdf, September 10, 1997
[9] E. H. Mamdani and S. Assilian, "Application of fuzzy algorithms for control of simple dynamic plant", Proceedings of the Institution of Electrical Engineers Vol. 121, 1974, pp. 1585-1588.
[10] Diantong Liu, Jianqiang Yi, Dongbin Zhao, and Wei Wang, ” Swing-Free Transporting of Two-Dimensional Overhead Crane Using Sliding Mode Fuzzy Control”, Proceeding of the 2004 American Control Conference Boston, June 30- July 2, 2004, pp 1764-1769.